Mechanistic Study of Solid Electrolyte Interphase Thermal Decomposition Using Density Functional Theory and Molecular Dynamics Simulations

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used in energy storage systems, such as electric vehicles and portable electronics because of their high energy density, high power density, and stable cycling performance. A key issue in LIBs is understanding the solid electrolyte interphase (SEI) resulting from a reductive reaction on the anode/electrolyte interface. However, LIBs show lower thermal stability compared to other battery systems, resulting in several safety issues like thermal runaway. Although the thermal runaway is triggered by the decomposition of the SEI layer, the details about the mechanism of SEI decomposition are still not clear. Herein, we performed density functional theory (DFT) calculations and molecular dynamics (MD) simulations to elucidate the thermal decomposition mechanism of lithium ethylene monocarbonate (LEMC) and lithium methyl carbonate (LMC) at the atomic scale, which are the common organic compounds of SEI. Our results will provide useful information for designing highly stable LIB materials.|리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도 및 안정적인 사이클 성능으로 인해 전기자동차, 휴대용 전자제품을 포함한 여러 에너지 저장 시스 템에 널리 사용되고 있다. 그러나 리튬 이온 전지는 다른 이차 전지 시스템에 비해 열적인 안정성이 낮아 열 폭주 및 화재 등의 여러 안전 문제가 발생할 가능성이 존재한다. 리튬 이온 전지 내 온도 상승 초기 단계는 음극과 전해질 계면 사이에서 일어나는 환원 반응으로 인해 형성되는 solid electrolyte interphase (SEI) 막의 열 분해 과정으로, 해당 반응의 기저 작동 기작을 이 해하는 것이 중요하지만 아직 명확하게 밝혀진 바가 없다. 이에 본 연구에서 는 밀도범함수이론 계산과 분자동역학 시뮬레이션을 활용하여 SEI 내 유기 구성 성분인 lithium methyl carbonate (LMC)와 lithium ethylene monocarbonate (LEMC)의 열 분해 반응 기작을 원자 단위에서 분석하고, 핵 심 단계 반응 및 복합 반응 네트워크를 제시하였다. 이 연구에서 보고된 결과 는 SEI 막의 열 분해 기작에 대한 자세한 정보를 제공하고, 높은 열적 안정성 을 가지는 리튬 이온 전지 소재 개발 및 설계에 기여할 수 있을 것이다.